Inżynierowie zbudowali najmniejszy na świecie żyroskop z czujnikiem światła, który można łatwo zintegrować z najmniejszą przenośną nowoczesną technologią.
Żyroskopy są powszechne w każdej technologii, której używamy w dzisiejszych czasach. Żyroskopy są używane w pojazdach, dronach i urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony komórkowe i urządzenia do noszenia, ponieważ pomagają poznać prawidłową orientację urządzenia w przestrzeni trójwymiarowej (3D). Pierwotnie żyroskop jest urządzeniem koła, które pomaga kołu szybko obracać się wokół osi w różnych kierunkach. Standardowy optyczny żyroskop zawiera nawinięte światłowód przenoszący impulsowe światło lasera. Działa to w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Natomiast współczesne żyroskopy są czujnikami, na przykład w telefonach komórkowych obecny jest czujnik mikroelektromechaniczny (MEMS). Czujniki te mierzą siły, które działają na dwa elementy o identycznej masie, ale które wahają się w dwóch różnych kierunkach.
Efekt Sagnaca
Czujniki, choć obecnie szeroko stosowane, mają ograniczoną czułość, a zatem żyroskopy optyczne są potrzebne. Istotną różnicą jest to, że żyroskopy optyczne są w stanie wykonać podobne zadanie, ale bez ruchomych części iz większą dokładnością. Można to osiągnąć dzięki efektowi Sagnaca, zjawisku optycznemu, które wykorzystuje ogólną teorię względności Einsteina do wykrywania zmian prędkości kątowej. Podczas efektu Sagnaca wiązka światła laserowego jest dzielona na dwie niezależne wiązki, które teraz poruszają się w przeciwnych kierunkach po zaokrąglonej ścieżce, ostatecznie spotykając się w jednym detektorze światła. Dzieje się tak tylko wtedy, gdy urządzenie jest statyczne i głównie dlatego, że światło porusza się ze stałą prędkością. Jeśli jednak urządzenie się obraca, ścieżka światła również się obraca, powodując, że dwie oddzielne wiązki docierają do detektora światła w innym punkcie czasowym. To przesunięcie fazowe nazywa się efektem Sagnaca i ta różnica w synchronizacji jest mierzona przez żyroskop i wykorzystywana do obliczania orientacji.
Efekt Sagnaca jest bardzo wrażliwy na szum w sygnale, a wszelkie szumy otoczenia, takie jak niewielkie wahania temperatury lub wibracje, mogą zakłócać przemieszczanie się wiązek. A jeśli żyroskop ma znacznie mniejszy rozmiar, jest bardziej podatny na zakłócenia. Żyroskopy optyczne są oczywiście znacznie skuteczniejsze, ale wyzwaniem jest zmniejszenie skali żyroskopów optycznych, czyli zmniejszenie ich rozmiarów, ponieważ wraz ze zmniejszaniem się sygnał przesyłany z ich czujników również słabnie, a następnie ginie w szumie generowanym przez wszystkie rozproszone światło. Powoduje to, że żyroskop trudniej wykrywa ruch. Ten scenariusz ograniczył projektowanie mniejszych żyroskopów optycznych. Najmniejszy żyroskop o dobrych parametrach ma wielkość co najmniej piłki golfowej i dlatego nie nadaje się do małych urządzeń przenośnych.
Nowy projekt małego żyroskopu
Naukowcy z California Institute of technology USA zaprojektowali żyroskop optyczny o bardzo niskim poziomie szumów, który wykorzystuje laser zamiast czujników MEMS i uzyskuje równoważne wyniki. Ich badanie zostało opublikowane w Nature Photonics. Wzięli maleńki dwumilimetrowy chip krzemowy i zainstalowali na nim kanał do kierowania światła. Ten kanał pomaga kierować światło w każdym kierunku wokół okręgu. Inżynierowie wyeliminowali wzajemny hałas, wydłużając drogę wiązek laserowych za pomocą dwóch dysków. W miarę wydłużania się ścieżki wiązki, poziom szumu zostaje wyrównany, co skutkuje dokładnym pomiarem, gdy dwie wiązki się spotykają. Umożliwia to korzystanie z mniejszego urządzenia, ale nadal zachowuje dokładne wyniki. Urządzenie odwraca również kierunek światła, aby pomóc w redukcji szumów. Ten innowacyjny czujnik żyroskopowy nosi nazwę XV-2CB. Lepszą wydajność osiągnięto dzięki metodzie „odwrotnego zwiększenia czułości”. Wzajemność oznacza, że oddziałuje na dwie niezależne wiązki światła w ten sam sposób. Efekt Sagnaca opiera się na wykryciu zmiany między tymi dwiema wiązkami, gdy poruszają się one w przeciwnych kierunkach, co jest równoznaczne z brakiem odwrotności. Światło przechodzi przez mini falowody optyczne, które są małymi przewodami przenoszącymi światło, podobnie jak przewody w obwodzie elektrycznym. Wszelkie niedoskonałości toru optycznego lub zakłócenia zewnętrzne wpłyną na obie wiązki.
Wzmocnienie wzajemnej czułości poprawia stosunek sygnału do szumu, umożliwiając zintegrowanie tego żyroskopu optycznego na malutkim chipie, być może wielkości czubka paznokcia. Ten maleńki żyroskop jest co najmniej 500 razy mniejszy niż istniejące urządzenia, ale może z powodzeniem wykrywać przesunięcia fazowe 30 razy mniejsze niż obecne systemy. Czujnik ten może być używany przede wszystkim w systemach do korekcji drgań kamery. Żyroskopy są obecnie niezbędne w różnych dziedzinach, a obecne badania pokazują, że można zaprojektować mniejsze żyroskopy optyczne, chociaż może minąć trochę czasu, zanim ten projekt laboratoryjny stanie się dostępny na rynku.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Khial PP i wsp. 2018. Nanofotonowy żyroskop optyczny z wzajemnym wzmocnieniem czułości. Nature Photonics. 12 ust. 11. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
